淺層天然氣對(duì)淺埋隧道安全性的影響研究

張小林 應(yīng) 黎 馮 君

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

長(zhǎng)期以來(lái)，鐵路隧道瓦斯和淺層天然氣爆炸一直是困繞隧道安全施工的一大難題，也是隧道工程常見(jiàn)病害類(lèi)型之一。

匡亮、張振強(qiáng)[1-2]等人對(duì)鐵路瓦斯隧道高低等級(jí)劃分界限進(jìn)行了研究，重新提出了瓦斯隧道分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；袁帥[3]通過(guò)對(duì)鐵路瓦斯隧道通風(fēng)方案和方法的深入研究，提出了針對(duì)特長(zhǎng)隧道的瓦斯氣體防治方法；鄭書(shū)星[4]等人等通過(guò)數(shù)值模擬的方法提出了隧道瓦斯新的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。蔣敏[5]通過(guò)研究瓦斯對(duì)隧道的危害性，提出了瓦斯隧道的防治措施。唐小兵[6]研究了通風(fēng)設(shè)備與降低瓦斯?jié)舛群捅ＷC施工安全的關(guān)系；陳家清[7]等人通過(guò)對(duì)洪福隧道的研究，提出了控制隧道瓦斯?jié)舛鹊拇胧缓殚_(kāi)榮[8]通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外各典型隧道的分析，闡述了未來(lái)隧道發(fā)展方向；周瑩[9]以蘭渝鐵路玄真觀隧道為研究對(duì)象，分析了非煤系瓦斯在隧道的分布和運(yùn)移規(guī)律。李波[10]運(yùn)用數(shù)值模擬，取得了公路瓦斯隧道的流場(chǎng)、分布、運(yùn)動(dòng)規(guī)律；康小兵[11]等人通過(guò)對(duì)瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)了瓦斯?jié)舛鹊挠绊懸蛩?。?dāng)鐵路隧道線路長(zhǎng)度較短、埋深較淺時(shí)，淺層天然氣的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)容易被忽視，施工時(shí)可能會(huì)發(fā)生天然氣爆炸或燃燒，給隧道施工安全帶來(lái)隱患。因此加強(qiáng)隧道淺層天然氣預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作十分必要。

本文通過(guò)對(duì)某穿越油氣田淺埋隧道的研究，分析淺層天然氣對(duì)隧道安全性的影響，以淺層天然氣的儲(chǔ)存條件和測(cè)試結(jié)果分析研究了隧道穿越淺層天然氣危害性。

1 區(qū)域地質(zhì)及儲(chǔ)存條件

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

線路穿越蘇碼頭油氣田。該油氣田位于四川盆地川西中新生代沉積凹陷區(qū)南部、成都凹陷低緩構(gòu)造帶東側(cè)、蘇碼頭-鹽井溝斷褶背斜構(gòu)造帶的北端，氣田兩側(cè)被熊坡斷層和蘇碼頭-鹽井溝斷層所夾持。背斜核部出露侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組，兩翼主要出露白堊系地層，部分區(qū)域被第四系覆蓋。構(gòu)造圈閉要素如表1所示。

表1 蘇碼頭構(gòu)造圈閉要素表

1.2 構(gòu)造特征

蘇碼頭油氣構(gòu)造為北東向構(gòu)造，軸部地層為上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組上部地層，翼部有白堊系地層分布，外圍有第四系地層廣布，兩翼不對(duì)稱(chēng)，北西翼陡，南東翼緩，為不對(duì)稱(chēng)長(zhǎng)軸背斜。斷層發(fā)育，具一定規(guī)模的斷層有4條，主要分布在背斜西北翼及構(gòu)造南段，走向北東，傾向南東，均為逆斷層，發(fā)生在上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組地層內(nèi)。構(gòu)造剖面如圖1所示。

圖1 地震INLINE510測(cè)線綜合解釋剖面圖

1.3 儲(chǔ)集層特征

蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)集層巖性為灰綠色薄-中厚層狀細(xì)砂巖和粗粉砂巖。儲(chǔ)集層主要為粒間溶孔、溶蝕擴(kuò)大孔，次為粒內(nèi)溶孔、鑄?？缀蜌堄嗔ｉg孔，裂縫偶見(jiàn)?？紫抖确植加?%～18%之間，主要分布于4%～8%和8%～16%兩個(gè)區(qū)間，平均為10.62%。最大滲透率為34.1 mD，最小為4.04×10-3mD，主要分布于0.01～100 mD之間， 平均為1.31 mD。蓬萊鎮(zhèn)組巖芯孔隙、滲透率分布如圖2所示，孔隙度-滲透率關(guān)系如圖3所示。

1.4 儲(chǔ)氣條件分析

蘇碼頭構(gòu)造在軸部出露少量蓬萊鎮(zhèn)組地層，兩翼地表出露白堊系地層。因此，在構(gòu)造兩翼，儲(chǔ)層的蓋層條件較好，構(gòu)造軸部蓬萊鎮(zhèn)組中上部?jī)?chǔ)層蓋層條件相對(duì)較差，中下部?jī)?chǔ)層蓋層條件相對(duì)較好。

對(duì)蘇碼頭構(gòu)造的主要斷層進(jìn)行斷面壓力分析后發(fā)現(xiàn)，斷層封閉作用隨斷層的埋深減小而變?nèi)?，因此蓬萊鎮(zhèn)組上部斷層對(duì)氣藏起破壞作用，但若砂體不直接和斷層接觸，仍可依賴(lài)泥巖的側(cè)向封閉作用防止油氣沿?cái)嗝婵v向散失。蓬萊鎮(zhèn)中下部斷層的斷面壓力大于地層壓力，斷層是封閉的。這也說(shuō)明在淺部，油氣有沿?cái)鄬酉蛏线\(yùn)移浸染淺部地層的能力，甚至有在局部富集形成淺層天然氣氣囊的可能。在麓山站-博覽城北站的MI1872-LB-35-1鉆孔，測(cè)試到淺層天然氣，其濃度高達(dá)4%，遠(yuǎn)高于周邊其它鉆孔，且M1872-LB-35-1鉆孔恰好位于斷層部位。因此，隧道施工時(shí)，一定要注意斷層和節(jié)理裂隙部位的局部淺層天然氣富集。

圖3 蘇碼頭氣田蓬萊鎮(zhèn)組巖芯孔隙度-滲透率關(guān)系圖

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

對(duì)線路范圍內(nèi)49個(gè)鉆孔進(jìn)行檢測(cè)，累計(jì)測(cè)點(diǎn)199次，其中27個(gè)鉆孔有天然氣顯示，占55.1%，代表性鉆孔測(cè)試結(jié)果如表2所示。

鉆孔天然氣檢測(cè)結(jié)果表明，在蘇碼頭油氣田范圍內(nèi)，油氣向上運(yùn)移浸染上部地層具有普遍性。但就濃度而言，除MI1872-LB-35-1鉆孔外，天然氣最大濃度高達(dá) 40 000 ppm(4%)，接近天然氣燃爆極限，其余鉆孔天然氣最大濃度均小于 10 000 ppm(1%)，MI1872-LB-35-1鉆孔位于蘇碼頭背斜核部，且與斷層相連， 其余鉆孔均處于背斜翼部，且地層連續(xù)，這說(shuō)明淺層天然氣分布受控于密度地層構(gòu)造特征。

表2 天然氣測(cè)試結(jié)果表

3 室內(nèi)氣相色譜試驗(yàn)

鉆孔終孔封閉24 h，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)束后采用改進(jìn)的大氣取樣儀立即取樣，利用密封氣袋裝樣，送試驗(yàn)室分析。

根據(jù)GB/T 13610-2003《天然氣的組成分析氣相色譜法》，室內(nèi)采用氣相色譜法對(duì)氣樣進(jìn)行成分和含量分析試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，氣樣均以氧氣和氮?dú)鉃橹?，除少量二氧化碳、CH4和微量其他含碳?xì)怏w，未沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他有毒有害氣體。氣樣中可燃?xì)怏wCH4的含量介于1.80%～2.52%之間。鉆孔檢測(cè)氣體成分如表3所示。對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可知，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的CH4含量略低于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試濃度，這是因?yàn)槭覂?nèi)取樣在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試之后，同時(shí)也說(shuō)明通風(fēng)對(duì)降低CH4濃度效果較好。

表3 氣體成分檢測(cè)結(jié)果表

4 結(jié)論

本文以淺層天然氣對(duì)淺埋隧道的瓦斯預(yù)測(cè)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造條件、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論。

(1)鐵路隧道在穿越含油氣構(gòu)造時(shí)，深部油氣沿?cái)嗔严蛏辖荆淼来嬖跍\層天然氣溢出危害。在勘察設(shè)計(jì)階段有必要針對(duì)淺層天然氣開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)研究。

(2)為避免高濃度瓦斯溢出造成爆炸，隧道盾構(gòu)施工工法建議在低瓦斯或無(wú)瓦斯區(qū)段采用，在高瓦斯區(qū)段宜采用明挖或暗挖施工工法，并采取相應(yīng)的通風(fēng)、防爆等措施。